EP0882977A1 - Procédé et dispositif de détermination en temps réel du pouvoir calorifique d'un gaz naturel par voie optique - Google Patents

Procédé et dispositif de détermination en temps réel du pouvoir calorifique d'un gaz naturel par voie optique Download PDF

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EP0882977A1
EP0882977A1 EP98401339A EP98401339A EP0882977A1 EP 0882977 A1 EP0882977 A1 EP 0882977A1 EP 98401339 A EP98401339 A EP 98401339A EP 98401339 A EP98401339 A EP 98401339A EP 0882977 A1 EP0882977 A1 EP 0882977A1
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EP
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gas
measurement
light beam
natural gas
calorific value
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EP98401339A
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Jean-Jacques Pinvidic
Laurence Juen-Grenier
Gérard Pelous
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Engie SA
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Gaz de France SA
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

Definitions

  • the subject of the present invention is a method for determining in real time of the calorific value of a natural gas optically, at from the measurement of the absorption of a light beam by the components of the gas, according to which the gas is illuminated by a beam light of predetermined characteristics, the intensity of the light beam after crossing the gas, and the calculation determines the calorific value of natural gas from the optical absorption obtained from the measurement of the intensity of the light beam after crossing some gas.
  • the invention also relates to a device for setting process work.
  • Energy metering at the delivery point is defined as the measurement at the same place of the quantities necessary to determine the amount of energy supplied. These quantities are in particular the volume, the pressure, temperature, gas composition, calorific value specific (PCS), energy flow.
  • PCS calorific value specific
  • the delivery point corresponds to the trigger station where gas expansion, regulation and metering is carried out.
  • Such a post of delivery is designed to guarantee continuity of gas supply even in the event of failure of one of the elements of the station.
  • composition of natural gas supplied to transportation and distribution is likely to vary, which results in variations in the calorific value of the gas and therefore, at equal volume of gas distributed, by variations of the energy supplied.
  • Gas suppliers for their part, want to know the specific calorific value of the gas delivered to be able to ensure invoicing of their customers according to the amount of effective energy rather than a simple volume of gas distributed, which corresponds to varying amounts of energy depending on the value of power gas heat.
  • PCS specific calorific value
  • Such a method involves the use of diode systems tunable laser or equivalent, which are expensive, and apply high resolution spectroscopic methods including implementation remains complex, which require a good prior knowledge of the nature and composition of the gas, to then be able to determine the calorific value with sufficient precision, and cannot apply correctly to natural gases whose components do not do not have a well insulated line structure, or have partially or completely overlapping absorption bands.
  • the present invention aims to remedy the drawbacks aforementioned and to allow real time, in situ, so convenient and inexpensive, accurate measurement of calorific value specific for a natural gas, whatever its composition among a large sample of possible compositions, and without the need to use specialized personnel or materials other than those that are used as standard in telecommunications.
  • a method of determination in real-time calorific value of a natural gas optically, from measuring the absorption of a light beam by the components gas, according to which the gas is illuminated by a light beam of predetermined characteristics, the beam intensity is measured luminous after crossing the gas, and the power is determined by calculation calorific of natural gas from the optical absorption obtained from measuring the intensity of the light beam after passing through the gas, characterized in that the gas is illuminated by means of a light beam defining three measuring bands defining length ranges of different waves each having a width of 10 to 20 nm and located in the near infrared, in that the measuring bands define wavelength ranges outside the ranges absorption of non-hydrocarbon components, and what we use additionally a reference strip defining a range of lengths wave width between 10 and 20 nm and located in the near infrared outside the wavelength ranges of the measurement and gas absorption areas.
  • the measuring strips are located in the following wavelength ranges 1.111 to 1.190 ⁇ m, 1.315 to 1.429 ⁇ m and 1.613 to 1.818 ⁇ m, in which the hydrocarbons constituting natural gas have significant absorptions.
  • the reference band can itself define a range of wavelengths between 1.24 and 1.25 ⁇ m.
  • the pressure is also measured and the gas temperature and the pressure values p and of temperature ⁇ of the gases measured, when determining by calculation the calorific value of natural gas.
  • PCS specific calorific power
  • PCS specific calorific power
  • the invention also relates to a determination device in real time of the calorific value of a natural gas optically, for implementing the method defined above, comprising a block emission equipped with a light source to circulate a beam light through a gas line, a receiving block fitted with a photodetector for receiving the light beam having passed through the gas and generate signals corresponding to the absorption by the gas of the beam light emitted by the source and an electronic control module to calculate the calorific value of natural gas from the signals emitted by the photodetector, characterized in that the block emission source includes a light source emitting in the near infrared and means for defining three measuring bands constituted by different wavelength ranges each having a width from 10 to 20 nm, in that the receiving block comprises a photodetector consisting of a photodiode, and a converter analog-digital and in that the electronic control module includes at least one microprocessor.
  • the device comprises a measuring head comprising at least at least a first optical fiber for connection with the transmission unit, at minus a second optical fiber for connection with the reception unit, a housing into which the first and second optical fibers penetrate and which comprises at least one porthole-shaped wall which constitutes a wall portion of the gas line to allow items collimation optics arranged in the housing to emit inward from the gas line an incident light beam from the first fiber optic and receive a light beam from the gas line reflected and a porous filtering envelope placed inside the gas line, limited by said porthole-shaped wall and containing a retroreflector for receiving said incident light beam and creating said reflected light beam.
  • the measuring head is arranged in a gas line which constitutes a bypass line parallel to a main pipeline and connected to it by valves of isolation.
  • the light source includes for each measuring tape a transmission module comprising a light emitting diode emitting on a narrow spectrum wavelengths, on the order of a few tens of nanometers, the emission of each light-emitting diode being modulated to a its own frequency, a first lens which distributes the beam the corresponding light-emitting diode on an interference filter, a second lens which focuses the beam from the interference filter corresponding on an optical fiber, each optical fiber being connected to a optical coupling device.
  • a transmission module comprising a light emitting diode emitting on a narrow spectrum wavelengths, on the order of a few tens of nanometers, the emission of each light-emitting diode being modulated to a its own frequency, a first lens which distributes the beam the corresponding light-emitting diode on an interference filter, a second lens which focuses the beam from the interference filter corresponding on an optical fiber, each optical fiber being connected to a optical coupling device.
  • the total light emission from the optical coupling is mainly distributed over a measurement channel used to emit a light beam towards the gas pipe and as secondary on a control channel to test the proper functioning of the light source.
  • the receiving unit includes a focusing lens on the photodiode of the photodetector, an alternative amplifier to transform the current information supplied by the photodiode into an information in voltage, a demodulator which filters the signal at modulation frequencies different transmission modules and said analog converter digital.
  • the source light source includes a single broad spectrum source such as tungsten-halogen lamp associated with a reflector and a first lens, a wheel with interference filters to select successively the characteristic wavelengths of the different measuring tapes, and a focusing lens on an optical fiber.
  • a single broad spectrum source such as tungsten-halogen lamp associated with a reflector and a first lens
  • a wheel with interference filters to select successively the characteristic wavelengths of the different measuring tapes
  • a focusing lens on an optical fiber such as tungsten-halogen lamp associated with a reflector and a first lens
  • the receiving unit includes a focusing lens on the photodiode of the photodetector, a DC amplifier and said analog to digital converter.
  • the electronic control module comprises means synchronization between the different corresponding measurement channels to the different measurement bands, as well as means for testing the correct operation of the device.
  • FIG. 1 The overall architecture of a device implementing the process according to the invention is illustrated in FIG. 1.
  • a measuring head 20 is placed directly on the natural gas supply pipe, or on a derivation.
  • This measuring head 20 is connected to a counting cabinet 10 by optical fibers 24 and 25.
  • These optical fibers 24, 25 can have a length of the order of 200 meters, so that only optical elements carrying low powers, less than 5 mW, are in contact with the gas, while the electrical elements are placed in an area without risk of explosion.
  • the optical fibers 24, 25 can be multimode fibers, silica / silica HCL from the company SPECTRAN, with a core diameter of 550 ⁇ m and an external diameter of 750 ⁇ m.
  • the absorption of such optical fibers is less than 10 dB / km, or less than 40% for 200 meters.
  • less expensive polymeric optical fibers can also be used.
  • the metering cabinet 10 essentially comprises a block 100 emission which generates a light signal applied to the optical fiber 24 to then pass through the gas to be analyzed in the measuring head 20 and there to be partly absorbed.
  • the part of the light signal not absorbed by the gas circulates in the optical fiber 25 to be applied to the block of reception 200 where the light signal is collected and transformed into a signal analog and then converted to a digital signal.
  • the treatment of measurements and synchronization of the different operations are carried out within the electronic control module 300 which is so connected functional at transmission block 100 and reception block 200.
  • the measuring head 20 can be arranged transversely by relative to the pipe in which the gas circulates. Measuring head 20 can also advantageously be installed on a bypass 2 which is arranged in parallel to the pipeline main 1 ( Figure 2), which allows the operations of maintenance without disrupting gas delivery.
  • the bypass line 2 leads into the main pipeline 1 by two sections of line 3, 4 on which are arranged isolation valves 5, 6.
  • the measuring head 20 is located at the level where the inlet pipe section 3 and the axis open of the measuring head and of the optical path (for example with a length of 0.3 m) is located along the axis of the section of bypass line 2 which is parallel to the main pipeline 1.
  • Such an installation allows a standardization of the material since, in this case, it is not necessary to adapt mechanical interfaces and path length optical to a multitude of pipe diameters.
  • FIG. 3 shows an example of a measuring head 20 to make a measurement in a pipe 2, either along the axis of this pipe, as indicated above, either transversely.
  • This measuring head 20 comprises a housing 21 into which the optical fibers 24, 25, this housing 21 having a wall 23 in the form of porthole which constitutes a wall portion of the gas pipe 2 and allows optical collimating elements 26, 27 arranged in the housing 21 to emit a light beam towards the inside of the gas pipe incident from the first optical fiber 24 and receiving in return a reflected light beam.
  • the light beam from optical fiber 24 is thus transformed into a parallel beam by the lens 26, to pass through the gas mixture, which has the advantage of increasing the sampling volume and minimize the risk of incidents on the course.
  • the light beam from lens 26 is reflected by a retroreflector composed of three mirrors 28, 29 constituted by a corner of cube which is a reflective triangular trihedron.
  • the retroreflector returns a beam parallel to lens 27 which again focuses the beam luminous on the return optical fiber 25.
  • a porous filtering envelope 22 extends the housing 21 inside the pipe 22 and provides support mechanical mirrors 28, 29.
  • This envelope 22 consists of a material permeable to gas but dustproof so as to limit the deposits of impurities on the faces of the cube corner arranged at inside the envelope 22, as well as on the porthole 23.
  • Sensors 31, 32 temperature and pressure can be arranged in the pipe 2 in the vicinity of the measuring head 20 and are connected to the cabinet counting 10 by connecting cables 33, 34.
  • the optical measurement of absorption of natural gas flowing in a pipe in different wavelength bands located in the near infrared and each having a width of 10 to 20 nm.
  • the measurement is carried out so relatively, since it is based on establishing a link direct between PCS and infrared absorption, without determination prior to the concentration of each of the constituents.
  • Lanes 2 and 3 are mainly sensitive to methane while band 1 is mainly sensitive to others alkanes.
  • the various measurement bands 10 to 20 nm wide located in the near infrared are advantageously chosen within the following three zones for which the hydrocarbons constituting natural gas have significant absorptions: 1.111 to 1.190 ⁇ m 1.333 to 1.429 ⁇ m 1.613 to 1.818 ⁇ m
  • the PCS can be deduced from optical absorption from the fact that, in particular for the wavelengths of the domains defined above, the PCS like optical absorption are related to the structure of the molecule and in particular to the number of C - H bonds it contains.
  • the composition can be defined in terms of molar concentrations corrected for phenomena of non-ideality of the mixture. So we can define a corrected molar concentration Xi which is equal to the ratio between the molar fraction of compound i and the compressibility coefficient of gas mixture considered Z. This makes it possible to overcome the determination of the compressibility coefficient of the mixture studied.
  • the transmission spectra of each of the studied mixtures are calculated spectrally according to this principle. Then, they are integrated on the three wavelength bands defined above, so as to determine average transmission coefficients (T 1 , T 2 , T 3 ) on each band.
  • the molar PCS unlike the volume PCS , is independent of the temperature and pressure conditions.
  • External natural gas delivery temperatures may be evaluated at - 20 ° C and + 30 ° C.
  • the usual delivery pressures are 4 bar, but may in some cases amount to 10 or 16 bar.
  • the values of extreme pressure can be 3.5 and 4.5 bar.
  • 0.3 m optical path is well suited to pressure average delivery of 4 bar.
  • the optical path should be reduced to 12 cm and 7.5 cm respectively.
  • the accuracy can be improved if the coefficients determined to minimize the differences between the theoretically obtained PCS values and those obtained from the determination of the optical absorption, take into account the temperature ⁇ of the gas and the pressure P of the gas in the vicinity of the measuring head.
  • the presence of a beam parallel light also helps to increase the volume to minimize the risk of incidents on the course due to residual impurities.
  • impurities may eventually settle on the optical elements and by a cumulative phenomenon can degrade the measurement dynamics.
  • a strip of wavelength reference located outside the absorption ranges of the gases (for example in the range 1.24 to 1.25 ⁇ m) to normalize the transmissions in each of the measurement bands.
  • the intensity I r measured on the reference strip also provides information on the cleanliness of the optical elements and constitutes a self-test means for the device.
  • the light source of the block transmitter 100 includes for each measuring strip a module 110,120,130,140 emission which is connected by an optical fiber 115, 125, 135, 145 to an optical coupling device 150 (FIG. 4).
  • Each transmission module 110, 120, 130, 140 comprises a light emitting diode 111, 121, 131, 141 emitting on a spectrum narrow wavelengths, on the order of a few tens of nanometers, for example 100 nm, a first lens 112, 122, 132, 142 which distributes the beam of the light-emitting diode corresponding 111, 121, 131, 141 on an interference filter 113, 123, 133, 143 and a second lens 114, 124, 134, 144 which focuses the beam from the corresponding interference filter 113, 123, 133, 143 on the corresponding optical fiber 115, 125, 135, 145.
  • a first lens 112, 122, 132, 142 which distributes the beam of the light-emitting diode corresponding 111, 121, 131, 141 on an interference filter 113, 123, 133, 143 and a second lens 114, 124, 134, 144 which focuses the beam
  • the powers available with this type of source are about 1.60 ⁇ W / nm.
  • Each measuring strip thus has its source 111, 121, 131, 141 whose emission is modulated at a frequency f1, f2, f3, f4 which is clean, for example 500, 1150, 1600, 2200 Hz.
  • the wavelengths of interest are selected for each transmission module 110, 120, 130, 140 by the corresponding interference filter 113, 123, 133, 143 including the transmission can be of the order of 50%.
  • the signal is applied to a photodetector 240 which includes a lens 241 for focusing on a detector which may consist of example by a photodiode 242, typically an In Ga As photodiode having a dark current of the order of 3nA and a response of 0.9 A / W at 1300 nm.
  • a photodetector 240 which includes a lens 241 for focusing on a detector which may consist of example by a photodiode 242, typically an In Ga As photodiode having a dark current of the order of 3nA and a response of 0.9 A / W at 1300 nm.
  • the incident signal on detector 242 is the sum of four components modulated at four different frequencies f1, f2, f3, f4 and each containing information relating to a measurement channel.
  • the signal from photodiode 242 is processed in a current amplifier 230 which transforms the information into current supplied by the photodiode 242 into voltage information of a maximum level by example close to 5 volts.
  • a demodulator 220 receives the voltage signal from amplifier 230 and performs signal filtering at four frequencies modulation f1, f2, f3, f4 (i.e. 500, 1150, 1600 and 2200 Hz in the example considered).
  • the information relating to each measurement channel is finally digitized in an analog-digital converter 210 which delivers a digital signal to the microprocessor 310 of the module control electronics 300.
  • filtering may not be performed analogically in a demodulator 220.
  • the output signal of amplifier 230 is digitized directly by the analog-digital converter 210 and the microprocessor is used 310 to separate the different frequencies by digital filtering and calculate the amplitudes at these different frequencies.
  • FIGS. 5 and 7 Another embodiment of the emission block 100 and of the block reception 200 is illustrated in FIGS. 5 and 7.
  • the source light 160 includes a single broad spectrum source (black body) such as a tungsten-halogen lamp 161 associated with a reflector 162 and a first lens 163 which creates a parallel light beam.
  • a single broad spectrum source black body
  • tungsten-halogen lamp 161 associated with a reflector 162
  • first lens 163 which creates a parallel light beam.
  • the power picked up by the lens if it has a diameter of 2 cm and is placed at 5 cm of the lamp, is around 60 ⁇ W / nm between 1 and 2 ⁇ m.
  • the focus on optical fiber 191 (which corresponds to the optical fiber 24 of Figures 1 to 3) using a second lens 181 allows to recover 10% of the energy, that is to say 6 ⁇ W / nm.
  • a wheel 170 which can rotate about an axis of rotation 175 carries interference filters 171, 172, 173, 174 defining the bands and is interposed between the lenses 163 and 181, that is to say between the light source 160 and the optical fiber 191 to allow the successive selection of the characteristic wavelengths of the four measurement channels. Time modulation is thus achieved, the rate of measurement being related to the speed of rotation of the wheel 170.
  • the fiber optics 291 and the photodetector 280 with its lens 281 and its detector 282 consisting of a photodiode may be identical to the elements correspondents 251, 240, 241, 242 of FIG. 6.
  • the incident signal on the photodetector 280 is modulated temporally.
  • the current from photodiode 282 therefore contains information on the four measurement channels. The exploitation of signal is thus simplified and the signal from photodiode 282 can be directly processed in a DC amplifier 270 then digitized in an analog-digital converter 260 which delivers a digital signal to microprocessor 310.
  • the electronic control module 300 illustrated in FIG. 8 essentially comprises a microprocessor 310 connected to the measuring head 20 for receiving by lines 33, 34 temperature and pressure information, and to the emission 100 and reception 200 blocks to provide synchronization commands from a synchronization module 314 and receive digital voltage information V 1 V 2 V 3 V 4 corresponding to the different measurement and reference bands.
  • the microprocessor 310 thus manages the synchronization between the different measurement channels and controls organs mechanical, such as the filter wheel drive motor 170 of Figure 5, or electrical, such as the frequency adjustment circuit demodulation in the demodulator 220 of Figure 6.
  • the microprocessor ensures, by a test module 315, the control of the good operation of the device, such as the cleanliness of the optical elements by analysis of the signals on the reference channel.
  • the microprocessor processes in a functional module 311 the information received to determine average optical transmission values T 1 T 2 T 3 T 4 on the different measurement channels.
  • the microprocessor 310 determines the PCS of the gas considered, from the values calculated in the module 311.
  • the advantage of the present invention consists in use a small number of measuring tapes (three or four only) while providing good measurement accuracy.
  • the method according to the invention makes it possible to obtain PCS with a accuracy better than 1% for a wide range of composition gas and delivery conditions and even better than 0.35% for a limited range of gas compositions.
  • the method according to the invention can also be extended to the determination of additional parameters other than the PCS in the extent that a relationship can be established between these parameters and infrared absorption of gas.

Abstract

On illumine le gaz naturel dont le pouvoir calorifique est à déterminer à l'aide d'un faisceau lumineux appliqué par une tête de mesure (20) et définissant trois bandes de mesure avec des plages de longueurs d'onde différentes présentant chacune une largeur de 10 à 20 nanomètres et situées dans le proche infrarouge. On mesure l'intensité du faisceau lumineux après traversée du gaz, et on détermine par calcul en temps réel in situ le pouvoir calorifique du gaz naturel à partir de l'absorption optique obtenue à partir de la mesure de l'intensité du faisceau lumineux après traversée du gaz.

Description

La présente invention a pour objet un procédé de détermination en temps réel du pouvoir calorifique d'un gaz naturel par voie optique, à partir de la mesure de l'absorption d'un faisceau lumineux par les composants du gaz, selon lequel on illumine le gaz par un faisceau lumineux de caractéristiques prédéterminées, on mesure l'intensité du faisceau lumineux après traversée du gaz, et on détermine par calcul le pouvoir calorifique du gaz naturel à partir de l'absorption optique obtenue à partir de la mesure de l'intensité du faisceau lumineux après traversée du gaz.
L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé.
Il est souhaitable de pouvoir effectuer un comptage en énergie au point de livraison de gaz naturel, au moins pour certains utilisateurs, tels que des industriels, ou pour des groupes d'utilisateurs au sein d'un réseau de distribution publique.
Le comptage en énergie au point de livraison est défini comme la mesure au même endroit des grandeurs nécessaires pour déterminer la quantité d'énergie fournie. Ces grandeurs sont notamment le volume, la pression, la température, la composition du gaz, le pouvoir calorifique spécifique (PCS), le débit d'énergie.
Le point de livraison correspond au poste de détente où s'effectue la détente, la régulation et le comptage de gaz. Un tel poste de livraison est conçu pour garantir une continuité de la fourniture du gaz même en cas de défaillance de l'un des éléments du poste.
La composition du gaz naturel fourni dans des réseaux de transport et de distribution est susceptible de varier, ce qui se traduit par des variations du pouvoir calorifique du gaz et par suite, à volume égal de gaz distribué, par des variations de l'énergie fournie.
Les clients industriels des réseaux de transport et de distribution souhaitent pouvoir optimiser les procédés qui impliquent l'utilisation de gaz et par là-même, à défaut de connaítre la composition exacte du gaz naturel utilisé, souhaitent pouvoir déterminer le pouvoir calorifique spécifique du gaz naturel qu'ils consomment.
Les fournisseurs de gaz souhaitent pour leur part connaítre le pouvoir calorifique spécifique du gaz livré pour pouvoir assurer une facturation de leurs clients en fonction de la quantité d'énergie effective fournie plutôt qu'en fonction du simple volume de gaz distribué, qui correspond à des quantités d'énergie variables selon la valeur du pouvoir calorifique du gaz.
Pour toutes ces raisons, il est souhaitable de pouvoir déterminer le pouvoir calorifique spécifique (PCS) d'un gaz naturel avec une précision suffisante à mieux que 1 %, et si possible de l'ordre de 0,5 %, par un procédé dont le coût est raisonnable et la mise en oeuvre aisée.
On a déjà proposé d'effectuer la mesure du PCS à l'aide de chromatographes rapides ou de calorimètres. Ces méthodes restent relativement coûteuses et ne sont pas pleinement satisfaisantes pour l'application envisagée, car elles nécessitent d'effectuer des prélèvements de gaz, d'effectuer des mesures dans des cabines d'essai spécifiques, d'utiliser des gaz étalons et impliquent une durée qui ne correspond pas à des mesures en temps réel.
On a encore proposé, notamment dans le document FR-A-2 735 236, d'utiliser une technique infrarouge pour effectuer des mesures de pouvoir calorifique d'un gaz naturel. Selon cette technique, on sélectionne préalablement dans le proche infrarouge une raie d'absorption spécifique de chaque composant du gaz, on éclaire le gaz par un faisceau laser ayant une longueur d'onde voisine de celle des raies d'absorption sélectionnées et une largeur spectrale inférieure à celle des raies d'absorption sélectionnées, on fait varier la longueur d'onde du faisceau lumineux pour balayer les raies d'absorption sélectionnées, on mesure l'intensité du faisceau lumineux après traversée du gaz aux longueurs d'onde des raies d'absorption sélectionnées et en dehors de ces raies et on déduit par le calcul les concentrations relatives des composants du gaz et le pouvoir calorifique de ce gaz.
Un tel procédé implique la mise en oeuvre de systèmes à diode laser accordable ou équivalent, qui sont coûteux, et applique des méthodes spectroscopiques à haute résolution dont la mise en oeuvre reste complexe, qui nécessitent une bonne connaissance préalable de la nature et de la composition du gaz, pour pouvoir déterminer ensuite le pouvoir calorifique avec une précision suffisante, et ne peuvent pas s'appliquer de façon correcte à des gaz naturels dont les composants ne présentent pas une structure de raies bien isolées, ou présentent des bandes d'absorption qui se chevauchent partiellement ou totalement.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à permettre de réaliser en temps réel, in situ, de façon commode et peu coûteuse, une mesure précise du pouvoir calorifique spécifique d'un gaz naturel, quelle que soit sa composition parmi un échantillon large de compositions possibles, et sans qu'il soit nécessaire de faire appel à du personnel spécialisé ou à des matériels autres que ceux qui sont utilisés de façon standard dans les télécommunications.
Ces buts sont atteints grâce à un procédé de détermination en temps réel du pouvoir calorifique d'un gaz naturel par voie optique, à partir de la mesure de l'absorption d'un faisceau lumineux par les composants du gaz, selon lequel on illumine le gaz par un faisceau lumineux de caractéristiques prédéterminées, on mesure l'intensité du faisceau lumineux après traversée du gaz, et on détermine par calcul le pouvoir calorifique du gaz naturel à partir de l'absorption optique obtenue à partir de la mesure de l'intensité du faisceau lumineux après traversée du gaz, caractérisé en ce que l'on illumine le gaz à l'aide d'un faisceau lumineux définissant trois bandes de mesure définissant des plages de longueurs d'onde différentes présentant chacune une largeur de 10 à 20 nm et situées dans le proche infrarouge, en ce que les bandes de mesure définissent des domaines de longueurs d'onde situés hors des domaines d'absorption des composants non hydrocarbonés, et en ce que l'on utilise en outre une bande de référence définissant une plage de longueurs d'onde de largeur comprise entre 10 et 20 nm et située dans le proche infrarouge en dehors des plages de longueurs d'onde des bandes de mesure et des domaines d'absorption du gaz.
De façon préférentielle, les bandes de mesure sont situées dans les plages de longueurs d'onde suivantes 1,111 à 1,190 µm, 1,315 à 1,429 µm et 1,613 à 1,818 µm, dans lesquelles les hydrocarbures constituant le gaz naturel y présentent des absorptions significatives.
A titre d'exemple, on définit trois bandes de mesure comprises entre les longueurs d'onde suivantes : de 1,176 à 1,190 µm ; de 1,315 à 1,325 µm ; de 1,62 à 1,64 µm.
La bande de référence peut elle-même définir une plage de longueurs d'onde situées entre 1,24 et 1,25 µm.
Selon un aspect du procédé, on mesure en outre la pression et la température du gaz et on prend en compte les valeurs de pression p et de température  du gaz mesurées, lors de la détermination par le calcul du pouvoir calorifique du gaz naturel.
Pour améliorer la précision du résultat, on peut calculer le pouvoir calorifique du gaz naturel à partir de l'accumulation d'un nombre N supérieur à 5, et par exemple voisin de 10, de mesures élémentaires de l'intensité du faisceau lumineux ayant traversé le gaz.
Le faisceau lumineux définit trois bandes de mesure et le pouvoir calorifique spécifique (PCS) du gaz naturel est déduit de la mesure des coefficients de transmission T1, T2, T3 du gaz naturel dans les trois bandes de mesure à l'aide de la relation suivante : PCS = α + β1 In (T1) + δ2 In (T2) + γ3 In (T3)    où α, β1, δ2 et γ3 représentent des coefficients déterminés à partir d'essais d'étalonnage.
Le faisceau lumineux définit trois bandes de mesure et le pouvoir calorifique spécifique (PCS) du gaz naturel est déduit de la mesure des coefficients de transmission T1, T2, T3 du gaz naturel dans les trois bandes de mesure à l'aide de la relation suivante : PCS = (α1 (/p) + α2) + (β11 (/p) + β12) In (T1) + (δ21 (/p) + δ22) In (T2) + (γ31 (/p) + γ32) In (T3),    où α1, α2, β11, β12, δ21, δ22, γ31, γ32 représentent des coefficients déterminés à partir d'essais d'étalonnage.
Avantageusement, le coefficient de transmission Ti (i = 1 à 3) du gaz naturel dans une bande de mesure est déterminé par le rapport entre l'intensité lumineuse I1 mesurée dans la bande de mesure concernée et l'intensité lumineuse Ir mesurée dans la bande de référence.
L'invention concerne également un dispositif de détermination en temps réel du pouvoir calorifique d'un gaz naturel par voie optique, pour la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus, comprenant un bloc d'émission équipé d'une source lumineuse pour faire circuler un faisceau lumineux à travers une conduite de gaz, un bloc de réception équipé d'un photodétecteur pour recevoir le faisceau lumineux ayant traversé le gaz et générer des signaux correspondant à l'absorption par le gaz du faisceau lumineux émis par la source et un module électronique de commande pour effectuer le calcul du pouvoir calorifique du gaz naturel à partir des signaux émis par le photodétecteur, caractérisé en ce que le bloc d'émission comprend une source lumineuse émettant dans le proche infrarouge et des moyens pour définir trois bandes de mesure constituées par des plages de longueurs d'onde différentes présentant chacune une largeur de 10 à 20 nm, en ce que le bloc de réception comprend un photodétecteur constitué par une photodiode, et un convertisseur analogique-numérique et en ce que le module électronique de commande comprend au moins un microprocesseur.
Le dispositif comprend une tête de mesure comprenant au moins une première fibre optique de liaison avec le bloc d'émission, au moins une deuxième fibre optique de liaison avec le bloc de réception, un boítier dans lequel pénètrent les première et deuxième fibres optiques et qui comporte au moins une paroi en forme de hublot qui constitue une portion de paroi de la conduite de gaz pour permettre à des éléments optiques de collimation disposés dans le boítier d'émettre vers l'intérieur de la conduite de gaz un faisceau lumineux incident issu de la première fibre optique et de recevoir de la conduite de gaz un faisceau lumineux réfléchi et une enveloppe poreuse filtrante disposée à l'intérieur de la conduite de gaz, limitée par ladite paroi en forme de hublot et contenant un rétroréflecteur pour recevoir ledit faisceau lumineux incident et créer ledit faisceau lumineux réfléchi.
Avantageusement, la tête de mesure est disposée dans une conduite de gaz qui constitue une conduite de dérivation parallèle à une canalisation principale et reliée à cette dernière par des vannes d'isolement.
Selon un mode particulier de réalisation, la source lumineuse comprend pour chaque bande de mesure un module d'émission comprenant une diode électroluminescente émettant sur un spectre étroit de longueurs d'onde, de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres, l'émission de chaque diode électroluminescente étant modulée à une fréquence qui lui est propre, une première lentille qui répartit le faisceau de la diode électroluminescente correspondante sur un filtre interférentiel, une deuxième lentille qui focalise le faisceau issu du filtre interférentiel correspondant sur une fibre optique, chaque fibre optique étant reliée à un dispositif de couplage optique.
Avantageusement, l'émission totale de lumière du dispositif de couplage optique est répartie à titre principal sur une voie de mesure servant à émettre un faisceau lumineux vers la conduite de gaz et à titre secondaire sur une voie de contrôle pour tester le bon fonctionnement de la source lumineuse.
Le bloc de réception comprend une lentille de focalisation sur la photodiode du photodétecteur, un amplificateur alternatif pour transformer l'information en courant fournie par la photodiode en une information en tension, un démodulateur qui filtre le signal aux fréquences de modulation des différents modules d'émission et ledit convertisseur analogique numérique.
Selon un autre mode particulier de réalisation, la source lumineuse comprend une source unique à large spectre telle qu'une lampe tungstène-halogène associée à un réflecteur et à une première lentille, une roue à filtres interférentiels permettant de sélectionner successivement les longueurs d'onde caractéristiques des différentes bandes de mesure, et une lentille de focalisation sur une fibre optique.
Le bloc de réception comprend une lentille de focalisation sur la photodiode du photodétecteur, un amplificateur à courant continu et ledit convertisseur analogique-numérique.
Le module électronique de commande comprend des moyens de synchronisation entre les différentes voies de mesure correspondant aux différentes bandes de mesure, ainsi que des moyens de test du bon fonctionnement du dispositif.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
  • la figure 1 est un schéma-bloc montrant l'architecture d'ensemble d'un dispositif de comptage de gaz mettant en oeuvre l'invention,
  • la figure 2 est un schéma montrant l'implantation d'une tête de mesure d'un dispositif de comptage selon l'invention, par rapport à une canalisation de transport de gaz,
  • la figure 3 est un schéma montrant de façon plus détaillée un exemple de réalisation d'une tête de mesure d'un dispositif de comptage de l'invention,
  • la figure 4 est un schéma d'un premier exemple de bloc d'émission utilisable dans le dispositif de comptage de la figure 1,
  • la figure 5 est un schéma d'un deuxième exemple de bloc d'émission utilisable dans le dispositif de comptage de la figure 1,
  • la figure 6 est un schéma d'un premier exemple de bloc de réception utilisable dans le dispositif de comptage de la figure 1,
  • la figure 7 est un schéma d'un deuxième exemple de bloc de réception utilisable dans le dispositif de comptage de la figure 1, et
  • la figure 8 est un schéma bloc d'un exemple de réalisation d'un module électronique de commande utilisable dans le dispositif de comptage de gaz de la figure 1.
L'architecture d'ensemble d'un dispositif mettant en oeuvre le procédé selon l'invention est illustrée sur la figure 1.
Une tête de mesure 20 est placée directement sur la canalisation d'alimentation en gaz naturel, ou sur une conduite de dérivation. Cette tête de mesure 20 est reliée à une armoire de comptage 10 par des fibres optiques 24 et 25. Ces fibres optiques 24, 25 peuvent présenter une longueur de l'ordre de 200 mètres, de sorte que seuls des éléments optiques véhiculant de faibles puissances, inférieures à 5 mW, sont au contact du gaz, tandis que les éléments électriques sont placés dans une zone sans risque de déflagration.
A titre d'exemple, les fibres optiques 24, 25 peuvent être des fibres multimodes, silice/silice HCL de la Société SPECTRAN, de diamètre de coeur 550 µm et de diamètre extérieur 750 µm. L'absorption de telles fibres optiques est inférieure à 10 dB/km, soit inférieure à 40 % pour
200 mètres. Naturellement, pour des distances de liaison plus courtes, de l'ordre de quelques dizaines de mètres, des fibres optiques polymères moins onéreuses peuvent aussi être utilisées.
L'armoire de comptage 10 comporte essentiellement un bloc d'émission 100 qui génère un signal lumineux appliqué à la fibre optique 24 pour ensuite traverser le gaz à analyser dans la tête de mesure 20 et y être en partie absorbé. La part du signal lumineux non absorbée par le gaz circule dans la fibre optique 25 pour être appliquée au bloc de réception 200 où le signal lumineux est collecté et transformé en un signal analogique, puis converti en un signal numérique. Le traitement des mesures et la synchronisation des différentes opérations sont effectués au sein du module électronique de commande 300 qui est relié de façon fonctionnelle au bloc d'émission 100 et au bloc de réception 200.
La tête de mesure 20 peut être disposée transversalement par rapport à la conduite dans laquelle circule le gaz. La tête de mesure 20 peut aussi avantageusement être implantée sur une conduite de dérivation 2 qui est disposée en parallèle par rapport à la canalisation principale 1 (figure 2), ce qui permet de réaliser les opérations de maintenance sans perturber la livraison du gaz. La conduite de dérivation 2 débouche dans la canalisation principale 1 par deux tronçons de conduite 3, 4 sur lesquels sont disposées des vannes d'isolement 5, 6.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, la tête de mesure 20 se situe au niveau où débouche le tronçon de conduite d'entrée 3 et l'axe de la tête de mesure et du trajet optique (par exemple d'une longueur de 0,3 m) se situe, selon l'axe du tronçon de la conduite de dérivation 2 qui est parallèle à la canalisation principale 1. Une telle implantation permet une standardisation du matériel puisque, dans ce cas, il n'est pas nécessaire d'adapter les interfaces mécaniques et la longueur du trajet optique à une multitude de diamètres de canalisation.
On a représenté sur la figure 3 un exemple de tête de mesure 20 pour effectuer une mesure dans une conduite 2, soit selon l'axe de cette conduite, comme indiqué précédemment, soit transversalement. Cette tête de mesure 20 comprend un boítier 21 dans lequel pénètrent les fibres optiques 24, 25, ce boítier 21 comportant une paroi 23 en forme de hublot qui constitue une portion de paroi de la conduite de gaz 2 et permet à des éléments optiques de collimation 26, 27 disposés dans le boítier 21 d'émettre vers l'intérieur de la conduite de gaz un faisceau lumineux incident issu de la première fibre optique 24 et de recevoir en retour un faisceau lumineux réfléchi. Le faisceau lumineux issu de la fibre optique 24 est ainsi transformé en un faisceau parallèle par la lentille 26, pour traverser le mélange gazeux, ce qui offre l'avantage d'augmenter le volume d'échantillonnage et de minimiser le risque d'incidents sur le parcours. Le faisceau lumineux issu de la lentille 26 est réfléchi par un rétroréflecteur composé de trois miroirs 28, 29 constitués par un coin de cube qui est un trièdre trirectangle réflecteur. Le rétroréflecteur renvoie un faisceau parallèle vers la lentille 27 qui focalise à nouveau le faisceau lumineux sur la fibre optique de retour 25. Une enveloppe poreuse filtrante 22 prolonge le boítier 21 à l'intérieur de la conduite 22 et assure le support mécanique des miroirs 28, 29. Cette enveloppe 22 est constituée d'un matériau perméable au gaz mais étanche aux poussières de façon à limiter les dépôts d'impuretés sur les faces du coin de cube disposé à l'intérieur de l'enveloppe 22, ainsi que sur le hublot 23. Des capteurs 31, 32 de température et de pression peuvent être disposés dans la conduite 2 au voisinage de la tête de mesure 20 et sont reliés à l'armoire de comptage 10 par des câbles de liaison 33, 34.
Avant de décrire différents exemples de réalisation des éléments fonctionnels de l'armoire de comptage 10, en référence aux figures 4 à 8, on trouvera ci-dessous les caractéristiques essentielles du procédé selon l'invention de détermination du pouvoir calorifique spécifique (PCS) du gaz naturel.
Selon l'invention, on procède à la mesure optique de l'absorption du gaz naturel circulant dans une conduite, dans différentes bandes de longueurs d'onde situées dans le proche infrarouge et présentant chacune une largeur de 10 à 20 nm. La mesure s'effectue ainsi de façon relative, puisqu'elle repose sur l'établissement d'un lien direct entre le PCS et l'absorption infrarouge, sans détermination préalable de la concentration en chacun des constituants.
A titre d'exemple préférentiel, on utilise les trois bandes de mesure de longueurs d'onde suivantes :
  • bande 1 : 1,176 - 1,190 µm (avec un coefficient de transmission moyen T1 = 85 % pour un trajet optique de 0,3 m).
  • bande 2 : 1,315 - 1,325 µm (avec un coefficient de transmission moyen T2 = 90 % pour un trajet optique de 0,3 m).
  • bande 3 : 1,62 - 1,64 µm (avec un coefficient de transmission moyen T3 : 75 % pour un trajet optique de 0,3 m).
    • Ces trois bandes de mesure correspondent à des domaines de longueurs d'onde situés hors des domaines d'absorption des composants non hydrocarbonés. Les bandes 2 et 3 sont principalement sensibles au méthane tandis que la bande 1 est principalement sensible aux autres alcanes.
    D'une façon plus générale, les différentes bandes de mesure d'une largeur de 10 à 20 nm situées dans le proche infrarouge sont avantageusement choisies à l'intérieur des trois zones suivantes pour lesquelles les hydrocarbures constituant le gaz naturel présentent des absorptions significatives :
       1,111 à 1,190 µm
       1,333 à 1,429 µm
       1,613 à 1,818 µm
    Le fait de travailler dans le proche infrarouge permet d'utiliser des sources de lumière et des photodétecteurs non refroidis, contrairement au cas des domaines de plus grandes longueurs d'onde pour lesquels les réalisations deviennent plus complexes.
    Le PCS peut être déduit de l'absorption optique du fait que, en particulier pour les longueurs d'onde des domaines définis ci-dessus, le PCS comme l'absorption optique sont liés à la structure de la molécule et notamment au nombre de liaisons C - H qu'elle contient.
    La prise en compte de bandes relativement larges de longueurs d'onde (10 à 20 nm) pour mesurer l'absorption optique d'un faisceau lumineux par le gaz naturel contenant un mélange d'alcanes est importante car il n'existe pas de structure de raies bien isolées, sauf pour le méthane, et il existe une superposition plus ou moins totale des bandes d'absorption des différents constituants.
    Si l'on prend en compte trois bandes de mesure de longueurs d'onde, telles que les bandes 1 à 3, le PCS du gaz naturel analysé peut être déduit de la mesure des coefficients de transmission T1, T2, T3 du gaz naturel dans les trois bandes de mesure à l'aide de la relation suivante : PCS = α + β1 In (T1) + δ2 In (T2) + γ3 In (T3)    où α, β1, δ2 et γ3 représentent des coefficients déterminés à partir d'essais d'étalonnage, de façon à minimiser les écarts entre les valeurs de PCS calculées de façon théorique ou mesurées par un moyen étalonné pour un ensemble d'échantillons de mélanges gazeux de compositions diverses connues couvrant une large gamme de concentration en hydrocarbures et les valeurs de PCS déduites des valeurs de transmission T1, T2, T3 sur les différentes bandes de mesure pour lesdits échantillons de mélange gazeux.
    Pour les échantillons de mélanges gazeux utilisés, la composition peut être définie en termes de concentrations molaires corrigées de phénomènes de non idéalité du mélange. Ainsi, on peut définir une concentration molaire corrigée Xi qui est égale au rapport entre la fraction molaire du composé i et le coefficient de compressibilité du mélange gazeux considéré Z. Ceci permet de s'affranchir de la détermination du coefficient de compressibilité du mélange étudié.
    Lors de l'étude d'échantillons de mélanges gazeux d'hydrocarbures, représentant différents types de gaz naturel et contribuant à la détermination des coefficients permettant de calculer le PCS à partir des coefficients de transmission moyens T1, T2, T3 dans chaque bande de mesure, le coefficient de transmission d'un mélange Tλ pour une longueur d'onde donnée est modélisé à partir de la formule suivante : Tλ = exp (-(Σi xi αiλ) . (Ptℓ)/(Z ))    où :
    xi :
    fraction molaire du composé i
    αiλ :
    coefficient d'absorption du composé i à la longueur d'onde λ
    Pt :
    pression totale
    ℓ :
    longueur du trajet optique
    Z :
    coefficient de compressibilité du mélange
     :
    température (K)
    Les spectres de transmission de chacun des mélanges étudiés sont calculés spectralement selon ce principe. Puis, ils sont intégrés sur les trois bandes de longueurs d'onde définies précédemment, de façon à déterminer des coefficients de transmission moyens (T1, T2, T3) sur chaque bande.
    Les PCS théoriques exprimés en kcal par mole de mélange, sont déduits de la relation : PCSmol = Σi (xi PCSmol i)    où :
    xi :
    fraction molaire du composé i
    PCSmol i :
    PCSmol du composé i
    Le volume molaire du mélange s'exprimant : Vmol = (Z R ) / (Pt),    où R est la constante des gaz parfaits et Z,  et Pt ont la signification indiquée ci-dessus,
       on peut définir un PCS caractéristique par unité de volume de mélange : PCSvol = (Σi ( xi PCSi)) . ((Pt)/(Z R )
    On notera que le PCSmolaire, contrairement au PCSvolumique, est indépendant des conditions de température et de pression.
    Cependant, dans une optique de comptage d'énergie, et utilisé en association avec une mesure de débit volumique, c'est bien le second qui présente un intérêt, et qui par conséquent, sera utilisé ici comme référence.
    Les températures de livraison externes de gaz naturel peuvent être évaluées à - 20°C et + 30°C.
    Les pressions de livraison habituelles sont de 4 bar, mais peuvent dans certains cas s'élever à 10 ou 16 bar.
    Dans le cas d'une pression de livraison de 4 bar, les valeurs de pression extrême peuvent être de 3,5 et 4,5 bar.
    Un parcours optique de 0,3 m est bien adapté à une pression de livraison moyenne de 4 bar.
    Pour des pressions de 10 bar et 16 bar, le parcours optique devrait être réduit respectivement à 12 cm et 7,5 cm.
    Dans la détermination du PCS à partir des valeurs de transmission optique moyennes T1, T2, T3 dans les différentes bandes de mesure, la précision peut être améliorée si les coefficients déterminés pour minimiser les écarts entre les valeurs du PCS obtenues de façon théorique et celles obtenues à partir de la détermination de l'absorption optique, prennent en compte la température  du gaz et la pression P du gaz au voisinage de la tête de mesure.
    Dans ce cas, le procédé selon l'invention permet de déterminer le PCS à partir de la formule suivante : PCS = (α1 (/p) + α2) + (β11 (/p) + β12) In (T1) + (δ21 (/p) + δ22) In (T2) + (γ31 (/p) + γ32) In (T3),
    Si les essais d'étalonnage prennent en compte un nombre significatif de mélanges gazeux de compositions voisines mais différentes par exemple de cinq à cinquante mélanges différents de façon à représenter un éventail représentatif de gaz naturels de compositions diverses, et si en outre on prend en compte les conditions de température et de pression, on parvient à une très grande concordance entre les calculs de PCS effectués de façon théorique et la détermination du PCS selon la méthode conforme à l'invention, l'écart moyen entre la théorie et la mesure étant quasi-nul.
    La présence de l'enveloppe 22 poreuse vis-à-vis du gaz, mais étanche aux poussières, permet de limiter les dépôts sur les éléments optiques et d'éviter une absorption parasite due à la traversée du faisceau optique par de tels éléments non gazeux. La présence d'un faisceau lumineux parallèle contribue également à augmenter le volume d'échantillonnage et à minimiser le risque d'incidents sur le parcours dus à des impuretés résiduelles.
    Des impuretés peuvent toutefois finir par se déposer sur les éléments optiques et par un phénomène cumulatif peuvent dégrader la dynamique de mesure.
    Pour pallier cet inconvénient, on peut utiliser une bande de référence de longueurs d'onde, située hors des domaines d'absorption du gaz (par exemple dans la plage 1,24 à 1,25 µm) pour normer les transmissions dans chacune des bandes de mesure.
    Dans ce cas, la transmission optique normée Ti dans la bande i est donnée par: Ti = Ii/Ir    où
  • Ii est l'intensité lumineuse mesurée sur la bande i et
  • Irest l'intensité lumineuse mesurée sur la bande de référence.
    • L'intensité Ir mesurée sur la bande de référence renseigne en outre sur la propreté des éléments optiques et constitue un moyen d'auto - test pour le dispositif.
    On décrira maintenant en référence aux figures 4 et 6 un premier mode de réalisation du bloc d'émission 100 et du bloc de réception 200.
    Selon ce mode de réalisation, la source lumineuse du bloc d'émission 100 comprend pour chaque bande de mesure un module d'émission 110,120,130,140 qui est relié par une fibre optique 115, 125, 135, 145 à un dispositif 150 de couplage optique (figure 4).
    Chaque module d'émission 110, 120, 130, 140 comprend une diode électroluminescente 111, 121, 131, 141 émettant sur un spectre étroit de longueurs d'onde, de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres, par exemple 100 nm, une première lentille 112, 122, 132, 142 qui répartit le faisceau de la diode électroluminescente correspondante 111, 121, 131, 141 sur un filtre interférentiel 113, 123, 133, 143 et une deuxième lentille 114, 124, 134, 144 qui focalise le faisceau issu du filtre interférentiel correspondant 113, 123, 133, 143 sur la fibre optique correspondante 115, 125, 135, 145.
    Les puissances disponibles avec ce type de source sont d'environ 1,60 µW/nm.
    Chaque bande de mesure possède ainsi sa source 111, 121, 131, 141 dont l'émission est modulée à une fréquence f1, f2, f3, f4 qui lui est propre, par exemple 500, 1150, 1600, 2200 Hz. Les longueurs d'onde d'intérêt sont sélectionnées pour chaque module d'émission 110, 120, 130, 140 par le filtre interférentiel correspondant 113, 123, 133, 143 dont la transmission peut être de l'ordre de 50 %.
    L'émission totale de lumière fournie par le dispositif de couplage 150 est répartie sur deux voies :
  • a) une voie de mesure, recevant environ 90 % de l'énergie, et qui est reliée à la tête de mesure par une fibre optique 151 qui correspond à la fibre optique 24 des figures 1 à 3, pour émettre un faisceau lumineux vers la conduite de gaz, et
  • b) une voie de contrôle, recevant environ 10 % de l'énergie, qui reste disponible sur une fibre optique 152 pour tester le bon fonctionnement des sources lumineuses en mode autotest et lors d'opérations de maintenance. Le couplage optique de réunion de quatre voies puis de répartition en deux voies peut être réalisé au sein du dispositif de couplage 150 par exemple par deux coupleurs multimodes ATI 4/1 et 1/2 (10 % - 90 %) placés en série. L'efficacité d'un tel couplage peut être de l'ordre de 40 %.
    • Dans le bloc de réception 200 illustré sur la figure 6, en sortie de la fibre optique 251 qui correspond à la fibre optique 25 des figure 1 à 3, le signal est appliqué à un photodétecteur 240 qui comprend une lentille 241 de focalisation sur un détecteur qui peut être constitué par exemple par une photodiode 242, typiquement une photodiode In Ga As présentant un courant d'obscurité de l'ordre de 3nA et une réponse de 0,9 A/W à 1300 nm.
    Le signal incident sur le détecteur 242 est la somme de quatre composantes modulées aux quatre fréquences différentes f1, f2, f3, f4 et contenant chacune l'information relative à une voie de mesure. Le signal issu de la photodiode 242 est traité dans un amplificateur à courant alternatif 230 qui transforme l'information en courant fournie par la photodiode 242 en une information en tension d'un niveau maximum par exemple proche de 5 volts.
    Un démodulateur 220 reçoit le signal de tension issu de l'amplificateur 230 et réalise un filtrage du signal aux quatre fréquences de modulation f1, f2, f3, f4 (soit 500, 1150, 1600 et 2200 Hz dans l'exemple considéré). L'information relative à chaque voie de mesure est finalement numérisée dans un convertisseur analogique-numérique 210 qui délivre un signal numérique au microprocesseur 310 du module électronique de commande 300. A titre de variante, le filtrage peut ne pas être réalisé de façon analogique dans un démodulateur 220. Dans ce cas, le signal de sortie de l'amplificateur 230 est numérisé directement par le convertisseur analogique-numérique 210 et l'on utilise le microprocesseur 310 pour séparer les différentes fréquences par filtrage numérique et calculer les amplitudes à ces différentes fréquences.
    Un autre mode de réalisation du bloc d'émission 100 et du bloc de réception 200 est illustré sur les figures 5 et 7.
    Dans le bloc d'émission 100 illustré sur la figure 5, la source lumineuse 160 comprend une source unique à large spectre (corps noir) telle qu'une lampe tungstène-halogène 161 associée à un réflecteur 162 et à une première lentille 163 qui crée un faisceau lumineux parallèle.
    A titre d'exemple, pour une lampe 161 de 20 W, la puissance captée par la lentille, si celle-ci a un diamètre de 2 cm et est placée à 5 cm de la lampe, est d'environ 60 µW/nm entre 1 et 2 µm. On peut considérer que la focalisation sur la fibre optique 191 (qui correspond à la fibre optique 24 des figures 1 à 3) à l'aide d'une deuxième lentille 181 permet de récupérer 10 % de l'énergie, soit 6 µW/nm.
    Une roue 170 pouvant tourner autour d'un axe de rotation 175 porte des filtres interférentiels 171, 172, 173, 174 définissant les bandes de mesure et est interposée entre les lentilles 163 et 181, c'est-à-dire entre la source lumineuse 160 et la fibre optique 191 pour permettre la sélection successive des longueurs d'onde caractéristiques des quatre voies de mesure. Il est ainsi réalisé une modulation temporelle, la cadence de mesure étant liée à la vitesse de rotation de la roue 170. A titre d'exemple, pour fonctionner à 10 Hz, la roue doit tourner à 600 tours/mn. Le filtrage amène les puissances transportées par la fibre optique 191 en dessous des seuils de sécurité.
    Dans le bloc de réception 200 illustré sur la figure 7, la fibre optique 291 et le photodétecteur 280 avec sa lentille 281 et son détecteur 282 constitué par une photodiode peuvent être identiques aux éléments correspondants 251, 240, 241, 242 de la figure 6. Dans le cas où l'émission a été réalisée par un corps noir, comme dans l'exemple de la figure 5, le signal incident sur le photodétecteur 280 est modulé temporellement. Le courant issu de la photodiode 282 contient donc l'information concernant les quatre voies de mesure. L'exploitation du signal est ainsi simplifiée et le signal issu de la photodiode 282 peut être directement traité dans un amplificateur à courant continu 270 puis numérisé dans un convertisseur analogique-numérique 260 qui délivre un signal numérique au microprocesseur 310.
    Le module électronique de commande 300 illustré sur la figure 8 comprend essentiellement un microprocesseur 310 relié à la tête de mesure 20 pour recevoir par des lignes 33, 34 des informations de température et de pression, et aux blocs d'émission 100 et de réception 200 pour assurer les commandes de synchronisation à partir d'un module de synchronisation 314 et recevoir les informations numériques de tension V1 V2 V3 V4 correspondant aux différentes bandes de mesure et de référence.
    Le microprocesseur 310 gère ainsi la synchronisation entre les différentes voies de mesure et assure la commande des organes mécaniques, tel que le moteur d'entraínement de la roue à filtres 170 de la figure 5, ou électriques, tel que le circuit d'ajustement de la fréquence de démodulation dans le démodulateur 220 de la figure 6. Le microprocesseur assure, par un module de test 315, le contrôle du bon fonctionnement du dispositif, comme par exemple la propreté des éléments optiques par analyse des signaux sur la voie de référence.
    Le microprocesseur traite dans un module fonctionnel 311 les informations reçues pour déterminer des valeurs de transmission optique moyennes T1 T2 T3 T4 sur les différentes voies de mesure. Dans un module fonctionnel 313, le microprocesseur 310 détermine le PCS du gaz considéré, à partir des valeurs calculées dans le module 311.
    Pour améliorer la qualité du résultat, il est possible d'effectuer une série de, par exemple 10, mesures successives et d'accumuler le résultat de ces dix mesures élémentaires dans un module intermédiaire 312.
    La détermination du PCS après accumulation de 10 mesures reste une mesure en temps réel puisque la cadence peut être de 1 Hz. Sans accumulation de mesures, les performances du système de comptage sont un peu inférieures, mais le PCS peut être déterminé à une cadence de l'ordre de 10 Hz.
    On notera que l'intérêt de la présente invention consiste à utiliser un petit nombre de bandes de mesure (trois ou quatre seulement) tout en offrant une bonne précision de mesure.
    Le procédé selon l'invention permet d'obtenir le PCS avec une précision meilleure que 1 % pour une large gamme de compositions de gaz et de conditions de livraison et même à mieux que 0,35 % pour une gamme de compositions de gaz limitée.
    Le procédé selon l'invention peut aussi être étendu à la détermination de paramètres complémentaires autres que le PCS dans la mesure où une relation peut être établie entre ces paramètres et l'absorption infrarouge du gaz.
    Ainsi, il a pu être établi une corrélation entre le rapport du PCS à la racine carrée de la masse volumique (lequel paramètre intervient dans le calcul de l'indice de Wobbe, qui est particulièrement utile pour le réglage des conditions de combustion des brûleurs) et l'absorption infrarouge du mélange de gaz.

    Claims (19)

    1. Procédé de détermination en temps réel du pouvoir calorifique d'un gaz naturel par voie optique, à partir de la mesure de l'absorption d'un faisceau lumineux par les composants du gaz, selon lequel on illumine le gaz par un faisceau lumineux de caractéristiques prédéterminées, on mesure l'intensité du faisceau lumineux après traversée du gaz, et on détermine par calcul le pouvoir calorifique du gaz naturel à partir de l'absorption optique obtenue à partir de la mesure de l'intensité du faisceau lumineux après traversée du gaz,
         caractérisé en ce que l'on illumine le gaz à l'aide d'un faisceau lumineux définissant trois bandes de mesure définissant des plages de longueurs d'onde différentes présentant chacune une largeur de 10 à 20 nm et situées dans le proche infrarouge, en ce que les bandes de mesure définissent des domaines de longueurs d'onde situés hors des domaines d'absorption des composants non hydrocarbonés, et en ce que l'on utilise en outre une bande de référence définissant une plage de longueurs d'onde de largeur comprise entre 10 et 20 nm et située dans le proche infrarouge en dehors des plages de longueurs d'onde des bandes de mesure et des domaines d'absorption du gaz.
    2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bandes de mesure sont situées dans les trois zones définies par les plages de longueurs d'onde suivantes 1,111 à 1,190 µm, 1,315 à 1,429 µm et 1,613 à 1,818 µm, dans lesquelles les hydrocarbures constituant le gaz naturel y présentent des absorptions significatives.
    3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le faisceau lumineux d'illumination du gaz définit trois bandes de mesure définissant les trois plages de longueurs d'onde différentes suivantes : 1,176 à 1,190 µm ; 1,315 à 1,325 µm ; 1,62 à 1,64 µm.
    4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la bande de référence définit une plage de longueurs d'onde situées entre 1,24 et 1,25 µm.
    5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on mesure en outre la pression et la température du gaz et on prend en compte les valeurs de pression p et de température  du gaz mesurées, lors de la détermination par le calcul du pouvoir calorifique du gaz naturel.
    6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on calcule le pouvoir calorifique du gaz naturel à partir de l'accumulation d'un nombre N supérieur à 5 de mesures élémentaires de l'intensité du faisceau lumineux ayant traversé le gaz.
    7. Procédé selon l'une quelconques des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le faisceau lumineux définit trois bandes de mesure et en ce que le pouvoir calorifique spécifique (PCS) du gaz naturel est déduit de la mesure des coefficients de transmission T1, T2, T3 du gaz naturel dans les trois bandes de mesure à l'aide de la relation suivante : PCS = α + β1 In (T1) + δ2 In (T2) + γ3 In (T3)    où α, β1, δ2 et γ3 représentent des coefficients déterminés à partir d'essais d'étalonnage.
    8. Procédé selon la revendication 5 et la revendication 7, caractérisé en ce que le faisceau lumineux définit trois bandes de mesure et en ce que le pouvoir calorifique spécifique (PCS) du gaz naturel est déduit de la mesure des coefficients de transmission T1, T2, T3 du gaz naturel dans les trois bandes de mesure à l'aide de la relation suivante : PCS = (α1 (/p) + α2) + (β11 (/p) + β12) In (T1) + (δ21 (/p) + δ22) In (T2) + (γ31 (/p) + γ32) In (T3),    où α1, α2, β11, β12, δ21, δ22, γ31, γ32 représentent des coefficients déterminés à partir d'essais d'étalonnage.
    9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le coefficient de transmission Ti (i = 1 à 3) du gaz naturel dans une bande de mesure est déterminé par le rapport entre l'intensité lumineuse I1 mesurée dans la bande de mesure concernée et l'intensité lumineuse Ir mesurée dans la bande de référence.
    10. Dispositif de détermination en temps réel du pouvoir calorifique d'un gaz naturel par voie optique, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant un bloc d'émission (100) équipé d'une source lumineuse (110, 120, 130, 140 ; 160) pour faire circuler un faisceau lumineux à travers une conduite de gaz (2), un bloc de réception (200) équipé d'un photodétecteur pour recevoir le faisceau lumineux ayant traversé le gaz et générer des signaux correspondant à l'absorption par le gaz du faisceau lumineux émis par la source et un module électronique de commande (300) pour effectuer le calcul du pouvoir calorifique du gaz naturel à partir des signaux émis par le photodétecteur,
         caractérisé en ce que le bloc d'émission (100) comprend une source lumineuse (110, 120, 130, 140 ; 160) émettant dans le proche infrarouge et des moyens pour définir trois bandes de mesure constituées par des plages de longueurs d'onde différentes présentant chacune une largeur de 10 à 20 nm, en ce que le bloc de réception (200) comprend un photodétecteur (242 ; 282) constitué par une photodiode, et un convertisseur analogique-numérique (210 ; 260) et en ce que le module électronique de commande (300) comprend au moins un microprocesseur.
    11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend une tête de mesure (20) comprenant au moins une première fibre optique (24) de liaison avec le bloc d'émission (100), au moins une deuxième fibre optique (25) de liaison avec le bloc de réception (200), un boítier (21) dans lequel pénètrent les première et deuxième fibres optiques (24, 25) et qui comporte au moins une paroi (23) en forme de hublot qui constitue une portion de paroi de la conduite de gaz (2) pour permettre à des éléments optiques de collimation (26, 27) disposés dans le boítier (21) d'émettre vers l'intérieur de la conduite de gaz (2) un faisceau lumineux incident issu de la première fibre optique (24) et de recevoir de la conduite de gaz (2) un faisceau lumineux réfléchi et une enveloppe poreuse filtrante (22) disposée à l'intérieur de la conduite de gaz (2), limitée par ladite paroi (23) en forme de hublot et contenant un rétroréflecteur (28, 29) pour recevoir ledit faisceau lumineux incident et créer ledit faisceau lumineux réfléchi.
    12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la tête de mesure (20) est disposée dans une conduite de gaz (2) qui constitue une conduite de dérivation parallèle à une canalisation principale (1) et reliée à cette dernière par des vannes d'isolement (5, 6).
    13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la source lumineuse comprend pour chaque bande de mesure un module d'émission (110, 120, 130, 140) comprenant une diode électroluminescente (111, 121, 131, 141) émettant sur un spectre étroit de longueurs d'onde, de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres, l'émission de chaque diode électroluminescente (111, 121, 131, 141) étant modulée à une fréquence (f1, f2, f3, f4) qui lui est propre, une première lentille (112, 122, 132, 142) qui répartit le faisceau de la diode électroluminescente correspondante (111,121, 131, 141) sur un filtre interférentiel (113, 123, 133, 143), une deuxième lentille (114, 124, 134, 144) qui focalise le faisceau issu du filtre interférentiel correspondant (113, 123, 133, 143) sur une fibre optique (115, 125, 135, 145) et en ce que chaque fibre optique (115, 125, 135, 145) est reliée à un dispositif (150) de couplage optique.
    14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'émission totale de lumière du dispositif (150) de couplage optique est répartie à titre principal sur une voie de mesure servant à émettre un faisceau lumineux vers la conduite de gaz (2) et à titre secondaire sur une voie de contrôle pour tester le bon fonctionnement de la source lumineuse (110, 120, 130, 140).
    15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 et 14, caractérisé en ce que le bloc de réception (200) comprend une lentille (241) de focalisation sur la photodiode (242) du photodétecteur, un amplificateur alternatif (230) pour transformer l'information en courant fournie par la photodiode (242) en une information en tension, et ledit convertisseur analogique numérique (210).
    16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que le bloc de réception (200) comprend en outre un démodulateur (220) qui filtre le signal aux fréquences de modulation (f1, f2, f3, f4) des différents modules d'émission (110, 120, 130, 140).
    17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la source lumineuse (160) comprend une source unique à large spectre telle qu'une lampe tungstène-halogène (161) associée à un réflecteur (162) et à une première lentille (163), une roue (170) à filtres interférentiels (171, 172, 173, 174) définissant les bandes de mesure et permettant de sélectionner successivement les longueurs d'onde caractéristiques des différentes bandes de mesure, et une lentille (181) de focalisation sur une fibre optique (191).
    18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que le bloc de réception (200) comprend une lentille (281) de focalisation sur la photodiode (282) du photodétecteur, un amplificateur à courant continu (270) et ledit convertisseur analogique-numérique (260).
    19. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 18, caractérisé en ce que le module électronique de commande (300) comprend des moyens de synchronisation (314) entre les différentes voies de mesure correspondant aux différentes bandes de mesure, ainsi que des moyens (315) de test du bon fonctionnement du dispositif.
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